Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy phân tích chất lượng điện năng trong hệ thống điện

Báo cáo nội dung thực hiện đề tài cấp bộ 2010 Viện nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa lượng điện năng là bất kì một vấn đề điện năng nào thể hiện qua sai lệch của điện áp, dòng đ

Trang 1

— – ˜ & ™ — –

BÁO CÁO KẾT QUẢ THỰC HIỆN

ĐỀ TÀI NCKH&PTCN CẤP BỘ NĂM 2010

Trang 2

— – ˜ & ™ — –

BÁO CÁO KẾT QUẢ THỰC HIỆN

ĐỀ TÀI NCKH&PTCN CẤP BỘ NĂM 2010

Trang 3

PHẦN 1 MỞ ĐẦU 1-4 1.1 Tổng quan 1-4

1.2 Phân loại chất lượng điện năng theo tiêu chuẩn quốc tế 1-8

1.2.1 Hiện tượng chuyển tiếp nhất thời 1-9 1.2.2 Các biến thiên điện áp trong thời gian ngắn 1-10 1.2.3 Các biến thiên điện áp trong thời gian dài 1-12 1.2.4 Méo dạng sóng 1-13 1.2.5 Dao động điện áp 1-15 1.2.6 Các biến đổi tần số 1-15 1.2.7 Mất cân bằng điện áp 1-16

1.3 Các chỉ tiêu về chất lượng điện năng của Việt Nam [6] 1-16

1.3.1 Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 3971-84 1-16 1.3.2 Nghị định số 45/2001/NĐ-CP của Chính phủ 1-17 1.3.3 Quy phạm trang bị điện của Bộ Công nghiệp 1-18

1.4 Các thiết bị giám sát chất lượng điện năng 1-20

1.4.1 Các thiết bị phân tích chất lượng điện năng 1-20 1.4.2 Data Logger và Chart Recorder 1-24 1.4.3 Các đồng hồ đo RMS 1-25

1.5 Cấu hình chung của một thiết bị phân tích chất lượng điện năng 1-25

1.6 Các vị trí cần kiểm tra về chất lượng điện năng 1-27

1.7 Mục tiêu của đề tài 1-28

1.8 Nội dung nghiên cứu 1-28

1.9 Mô tả phương pháp nghiên cứu 1-29

PHẦN 2 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 2-30

2.1 Thiết kế tổng thể thiết bị phân tích chất lượng điện năng 2-30

2.1.1 Cơ sở và quan điểm thiết kế phần cứng 2-30 2.1.2 Cấu hình phần cứng của thiết bị 2-30 2.1.3 Đặc điểm của thiết bị phân tích chất lượng điện năng của đề tài 2-32

2.2 Lựa chọn vật tư linh kiện để thiết kế các module 2-34

2.2.1 Lựa chọn bộ chia tỷ lệ và cách ly điện áp 2-35 2.2.2 Lựa chọn bộ chia tỷ lệ và cách ly dòng điện 2-36 2.2.3 Lựa chọn linh kiện để thiết kế bộ lọc Anti-aliasing filter 2-36 2.2.4 Lựa chọn linh kiện cho bộ chuyển đổi tương tự/số ADC 2-37 2.2.5 Lựa chọn linh kiện cho truyền thông 2-38 2.2.6 Lựa chọn bộ xử lý trung tâm 2-38 2.2.7 Lựa chọn bộ nguồn cung cấp 2-40

2.3 Nghiên cứu thiết kế module HMI 2-41

2.3.1 Màn hình hiển thị Graphic LCD (GLCD) 2-41 2.3.2 Bàn phím 2-43

Trang 4

Báo cáo nội dung thực hiện đề tài cấp bộ 2010

Viện nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa

Trang 1-2

2.4.1 Thiết kế khối chia tỷ lệ và cách ly điện áp 2-45 2.4.2 Thiết kế bộ chia tỷ lệ và cách ly dòng điện và bảo vệ 2-48 2.4.3 Thiết kế bộ lọc thông thấp cho các đầu vào dòng điện 2-51 2.4.4 Thiết kế bộ lọc thông thấp cho các đầu vào điện áp 2-52 2.4.5 Thiết kế module chuyển đổi tương tự sang số 2-53 2.4.6 Thiết kế module xử lý trung tâm 2-53

PHẦN 3 THIẾT KẾ PHẦN MỀM 3-55 3.1 Cơ sở và quan điểm thiết kế phần mềm nhúng 3-55

3.2 Thiết kế chương trình phần mềm HMI 3-58

3.2.1 Module chương trình cài đặt các thông số 3-58 3.2.2 Module chương trình truyền thông nội bộ 3-59

3.3 Thiết kế chương trình phần mềm xử lý tính toán 3-65

3.3.1 Chương trình xử lý tín hiệu tương tự 3-65 3.3.2 Chương trình tính toán các thông số điện 3-68

3.4 Thiết kế phần mềm máy tính 3-71

3.4.1 Thiết kế các module 3-71 3.4.2 Một số giao diện phần mềm máy tính 3-73

PHẦN 4 THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ 4-75 4.1 Mục tiêu, nội dung thử nghiệm trong phòng thí nghiệm 4-75

4.1.1 Mục tiêu thử nghiệm 4-75 4.1.2 Nội dung thử nghiệm trong phòng thí nghiệm 4-75

4.2 Cấu hình và bài toán phục vụ thử nghiệm tại phòng thí nghiệm 4-75

4.2.1 Thiết lập kết nối dây phần cứng module phân tích dòng điện 4-76 4.2.2 Thử nghiệm chức năng phân tích điện áp 4-77

4.3 Kết quả thử nghiệm tại phòng thí nghiệm 4-77

4.4 Mục tiêu, nội dung thử nghiệm thực tế 4-78

4.4.1 Mục tiêu thử nghiệm 4-78 4.4.2 Nội dung thử nghiệm thực tế 4-79

4.5 Cấu hình phục vụ thử nghiệm 4-79

4.6 Tổ chức thực hiện 4-80

4.7 Kết quả thử nghiệm thực tế 4-80

PHẦN 5 PHỤ LỤC BÁO CÁO 5-81 5.1 Phụ lục 1: Thiết kế cơ khí 5-81

5.1.1 Vỏ máy 5-81 5.1.2 Kiểu vỏ 5-81 5.1.3 Mặt trước 5-81 5.1.4 Phần thân PQA-10-1 5-81 5.1.5 Giắc đấu nối 5-82 5.1.6 Hình ảnh máy phân tích chất lượng điện năng PQA-10-1 5-83

5.2 Phụ lục 2: Các bản vẽ thiết kế phần cứng 5-84

5.2.1 Các bản vẽ thiết kế phần cứng 5-84 5.2.2 Sơ đồ nối dây module đo áp 5-85

Trang 5

5.2.3 Sơ đồ nối dây module đo dòng điện 5-86

5.3 Phụ lục 3: Hướng dẫn vận hành PQA-10-1 5-87

5.3.1 Giao diện hiển thị 5-87 5.3.2 Các phím chức năng 5-87 5.3.3 Các LED chỉ thị 5-88 5.3.4 Màn hình hiển thị GLCD 128x64 5-88 5.3.5 Trạng thái của các LED 5-89 5.3.6 Màn hình hiển thị ban đầu khi PQA-10-1 được cấp điện 5-89 5.3.7 Trang phân tích dòng điện 5-89 5.3.8 Trang phân tích điện áp 5-91 5.3.9 Trang phân tích công suất, cos∅, tần số và các thông số cấu hình 5-93

5.4 Phụ lục 4: Các nguồn điều hoà và ảnh hưởng của nó 5-97

5.4.1 Tải tiêu dùng 5-97 5.4.2 Tải công nghiệp 5-100 5.4.3 Các tính chất đáp ứng tần số của hệ thống 5-102 5.4.4 Ảnh hưởng của điều hoà đến các thiết bị 5-102

5.5 Phụ lục 5: Các kết quả thử nghiệm thực tế và biên bản kiểm tra hiệu

chuẩn 5-108 5.6 TÀI LIỆU THAM KHẢO 5-109

Trang 6

lượng điện năng là bất kì một vấn đề điện năng nào thể hiện qua sai lệch của điện

áp, dòng điện hay tần số dẫn đến các thiết bị của người sử dụng bị hỏng hoặc hoạt động sai Các cơ quan tiêu chuẩn hoá quốc tế cũng đã bắt đầu định nghĩa và phân

loại hoá các hiện tượng liên quan đến chất lượng điện năng Định nghĩa được đưa ra

trong từ điển của IEEE, bắt nguồn từ IEEE Emerald Book, đã cho rằng: chất lượng

điện năng là một khái niệm của việc nối nguồn và nối đất cho các thiết bị nhạy cảm

mà theo cách đó là phù hợp cho việc hoạt động của các thiết bị [3] Vào năm 2000

IEC đã bắt đầu có bước khởi đầu trong khi định nghĩa về chất lượng điện năng, kết quả là đưa ra được một bản dự thảo và đề nghị việc định nghĩa chất lượng điện năng

theo cách sau: Chất lượng điện năng là một bộ các thông số xác định các đặc tính

của nguồn cung cấp khi phân phối cho người sử dụng ở các điều kiện hoạt động bình thường dưới dạng nguồn cung cấp hoạt động liên tục và các tính chất của điện

áp(sự đối xứng, tần số, biên độ và dạng sóng) [3] Tuy nhiên định nghĩa này gây ra

rất nhiều sự hiểu nhầm, do vậy định nghĩa đã được sửa lại là: Chất lượng điện năng

là các tính chất điện tại một điểm cho trước trên một hệ thống điện, được đánh giá

so sánh với một bộ các thông số kĩ thuật tham khảo(với một chú ý đi kèm là: trong một vài trường hợp, các thông số này có thể liên quan đến độ tương thích giữa điện

Trang 7

năng được cung cấp trên mạng và các tải được kết nối với mạng đó ) [3] Hình vẽ 1

minh họa sự gia tăng hoạt động nghiên cứu trong lĩnh vực chất lượng điện trên thế giới (trích trong tài liệu “Signal processing of power quality distubances”, , Math H.J Bollen, 2006).

Hình 1 Biểu đồ về sự quan tâm đến chất lượng điện năng

Do các yêu cầu của thực tế là các thiết bị điện ngày càng được sử dụng nhiều, điện đã thành một sản phẩm kinh doanh thương mại có giá trị lớn nên các nhà cung cấp điện cũng như hộ sử dụng điện ngày càng quan tâm đến chất lượng điện năng hơn Ngay từ khi khái niệm chất lượng điện năng được đưa ra đầu thập kỉ 80 của thế

kỉ 20 lập tức nó đã trở thành một khái niệm gây tranh cãi, cho đến ngày nay thì còn rất nhiều các bất đồng về việc sử dụng khái niệm trên, về cách định nghĩa nó và việc

áp dụng nó thế nào cho chính xác Nguyên nhân chính là rất khó có thể định nghĩa một đại lương vật lý kiểu năng lượng, và vì thế một số khái niệm khác đã được sử dụng để thay thế cho khái niệm này Một trong các khái niệm này là “chất lượng điện áp”, nó được sử dụng rất nhiều trong các tài liệu của châu Âu và được hiểu là chất lượng của sản phẩm do nhà cung cấp phân phối cho hộ sử dụng Khái niệm tiếp theo bổ sung cho khái niệm trên là “chất lượng dòng điện”, nó được định nghĩa là

sự sai lệch của dạng sóng dòng điện với dòng điện sin lý tưởng Một khái niệm tiếp theo là “chất lượng nguồn cung cấp” (quality of supply) nhưng khái niệm này cũng không được sử dụng nhiều Khái niệm nữa là “chất lượng tiêu thụ” (quality of

Trang 8

Trang 1-6

nghiệp điện cho nên không nên quan tâm nhiều đến nó Trong các tiêu chuẩn, thuật ngữ chất lượng điện năng đã được chính thức sử dụng rất nhiều nơi Ở Mỹ trong tiêu chuẩn của IEEE (Institue of Electric and Electronic Engineers), một trong các tiêu chuẩn của SCC ( Standard Coordinate Committees), cụ thể là SCC 22 đã chính thức chấp nhận thuật ngữ chất lượng điện năng Mặc dù trong các tài liệu (tiêu chuẩn) của IEC (International ElectrotechnicalCommission), một tổ chức thiết lập các tiêu chuẩn về điện quốc tế, thuật ngữ chất lượng điện năng không hề xuất hiện chính thức, mãi cho đến năm 2002 trong một bản dự thảo tiêu chuẩn của IEC thuật ngữ chất lượng điện năng mới được sử dụng lần đầu tiên

Chất lượng điện năng là một vấn đề có ý nghĩa chiến lược đối với toàn ngành điện, các nhân viên kỹ thuật vận hành, khai thác, bảo dưỡng, quản lý, các nhà chế tạo thiết bị vì các lý do sau đây:

q Tính chất cạnh tranh của nền kinh tế đòi hỏi điện năng phải được đảm bảo thường xuyên với chất lượng tốt

q Việc sử dụng ngày càng rộng các phụ tải nhạy cảm với chất lượng điện như máy tính, thiết bị đo lường-điều khiển, hệ thống thông tin liên lạc đòi hỏi phải được cung cấp điện với chất lượng cao

q Việc suy giảm chất lượng điện làm cho thiết bị vận hành với hiệu suất thấp, tuổi thọ bị giảm

q Thị trường điện (trên thế giới) là thị trường mở tự do, các xí nghiệp có khả năng lựa chọn các nhà cung cấp điện có chất lượng cao hơn

Mục đích cuối cùng của vấn đề nghiên cứu phân tích chất lượng điện năng là

để giải quyết nâng cao chất lượng điện năng và tiết kiệm điện (trong đề tài này không thực hiện vấn đề nâng cao chất lượng điện năng và tiết kiệm điện) Giải quyết vấn đề chất lượng điện năng phụ thuộc vào việc thu thập dữ liệu có ý nghĩa tại địa điểm tối ưu hoặc tại các địa điểm và trong một khung thời gian nhạy cảm Để

có được dữ liệu hữu ích và xác đáng, thì cần sử dụng dụng cụ phù hợp nhất cho một ứng dụng cụ thể, ví dụ các đồng hồ đo, ghi và phân tích điện thậm chí là một hệ thống SCADA Hầu hết các vấn đề chất lượng điện năng mà không được công nhận

là do sử dụng các dụng cụ không phù hợp cho các ứng dụng đó Vấn đề này rất

Trang 9

quan trọng vì việc đầu tư nâng cấp chất lượng điện năng phải cần một khoản kinh phí rất lớn và có thể sẽ dấn đến sự tăng lên về biểu giá Để kiểm tra xem trên thực tế

có cần tiến hành những khoản đầu tư cải thiện chất lượng điện năng hay không, thì việc kiểm tra chất lượng nguồn cung cấp có tính quyết định Việc kiểm tra này cũng giúp tìm ra các nguồn gây gián đoạn và cho phép so sánh chất lượng điện năng tại những vị trí khác nhau Một ví dụ thực tế là đối với các khách hàng tiêu thụ điện tại

Ấn Độ hiện nay, việc gián đoạn cung cấp điện và mức điện áp thấp là vấn đề cần quan tâm liên tục, không ngừng Các công ty điện lực thừa nhận các vấn đề này và đang tiến hành những đầu tư lớn nhằm cải thiện chất lượng điện năng Để tiến hành giải quyết chất lượng điện năng, 3 thiết bị thu thập dữ liệu ESMI đã được lắp đặt tại Thành phố Pune Dữ liệu từ các vị trí này sẽ được tải xuống theo chu kỳ và công bố trên trang web của Prayas Các kết quả thu được rất kém khi tham chiếu tới các tiêu chuẩn tại Châu Âu và Bắc Mỹ Trong tuần kiểm tra đầu tiên:

q Điện áp định mức chỉ được duy trì tới 23% thời gian

q Điện áp thấp chiếm đến 69% thời gian

q Điện áp rất thấp ở mức 7% thời gian

q Mất nguồn cung cấp điện là 1% thời gian

Con số 1% cuối cùng có nghĩa rằng cứ một tuần thì sẽ có 1h45 phút mất điện Bảng

1 trình bày kết quả kiểm tra tại Thành phố Pune Hình 2 minh họa dạng sóng điện

áp theo thời gian đo đếm

Bảng 1 Kết quả kiểm tra tại Pune, theo [2]

Khoảng thời gian gián đoạn Số lần gián đoạn Tổng thời gian mất điện

(phút) Gián đoạn tạm thời (<3 phút) - -

Trang 10

Trang 1-8

Hình 2 Dạng sóng điện áp theo thời gian đo đếm

1.2 Phân loại chất lượng điện năng theo tiêu chuẩn quốc tế

Khởi đầu từ cách phân loại các yếu tố chất lượng điện năng của IEC, uỷ ban hợp tác các tiêu chuẩn 22 của IEEE (IEEE SCC22) đã phát triển các thực tế được khuyến nghị cho việc giám sát chất lượng điện năng được trình bày trong [1] IEEE

đã phân loại các yếu tố chất lượng điện năng dựa trên tần số, khoảng thời gian tồn tại và biên độ của của mỗi yếu tố Trên cơ sở đó, IEEE đã thành lập được bảng tổng phân loại và tính chất của các hiện tượng điện từ của hệ thống điện, bảng 2 đưa ra các thông tin tuân theo tần số, khoảng thời gian, biên độ tương ứng với các hiện tượng điện từ của mỗi yếu tố được phân loại Hiện nay trên thế giới rất nhiều cơ quan quản lý điện, tiêu chuẩn hay các hãng sản xuất sử dụng bảng phân loại yếu tố chất lượng điện năng IEEE

Bảng 2 Phân loại và tính chất của các hiện tượng điện từ hệ thống điện

Phân loại Tần số điển hình Khoảng thời gian

điển hình

Biên độ điện áp điển hình

1 Transient

1.1 Xung

1.1.1 Nano giây 5-ns tăng < 50 ns

1.1.2 Micro giây 1- µ s tăng 50 ns-1ms

1.1.3 Mili giây 0.1-ms tăng >1ms

Trang 11

1.2.1 Hiện tượng chuyển tiếp nhất thời

Hiện tượng chuyển tiếp nhất thời (thuật ngữ tiếng anh là Transient) là các

nhiễu mà xuất phát từ rất nhiều nguyên nhân: ví dụ đóng cắt tụ điện, phóng điện trong đèn ballast, chúng có thể được xếp vào các loại nhiễu xung và nhiễu dao động Các nhiễu xung xuất hiện trong khoảng thời gian nhỏ hơn 1ms, đạt giá trị

đỉnh và từ giá trị đỉnh xuống rất nhanh Các dao động transient nói chung là có thời

gian tồn tại nhỏ hơn một chu kì dao động (tần số của nguồn kích thích) và thường

có tần số dao động trên 5kHz Thuật ngữ transient đã được sử dụng trong phân tích

các biến đổi hệ thống điện năng để chỉ ra một sự kiện không theo mong muốn hoặc

mang tính chất tức thời của tự nhiên Transient có thể được phân loại thành hai

dạng

1.2.1.1 Xung chuyển tiếp

Xung chuyển tiếp (thuật ngữ tiếng anh là Impulsive transient), hình 3, là một

sự thay đổi đột nhiên trong điều kiện làm việc ổn định của điện áp hoặc dòng điện hay cả hai mà sự thay đổi này không làm thay đổi giá trị cực tính của điện áp hay dòng điện (Khởi đầu điện áp hay dòng điện có thể là âm hay dương)

Trang 12

Trang 1-10

Hình 3 Impulsive transient

1.2.1.2 Dao động chuyển tiếp

Dao động chuyển tiếp (thuật ngữ tiếng anh là Oscillatory transient), hình 4, là

sự thay đổi đột nhiên trong các điều kiện ổn định của điện áp và dòng điện hoặc cả hai mà sự thay đổi này làm thay đổi chiều cực tính của điện áp hay dòng điện bao gồm cả hai giá trị âm và dương Tuỳ theo tần số dao động mà chúng được phân loại vào tần số thấp (fdđ<5kHz), trung bình (5kHz≤fdđ<500kHz) và tần số cao (500kHz≤fdđ<5MHz)

Hình 4 Oscillatory transient

1.2.2 Các biến thiên điện áp trong thời gian ngắn

Các biến đổi này bao gồm các loại ngắt thời gian ngắn, điện áp lõm và điện áp

lồi Mỗi loại khác nhau có thể được xếp loại vào trường hợp tức thời (instaneous), thoáng qua (momentary), tạm thời (temporary), điều này phụ thuộc vào khoảng thời

gian tồn tại của chúng Biến đổi điện áp trong thời gian ngắn được chia thành ba loại khác nhau: tức thời 0,5≤t<30 chu kỳ (600ms), thoáng qua 30 chu kỳ ≤t<3 s, tạm thời 3s≤t<1phút

Trang 13

1.2.2.1 Lõm điện áp

Lõm điện áp (thuật ngữ tiếng anh là Voltage sag hoặc Voltage dip), xem hình

5, đã được sử dụng để mô tả độ suy giảm của điện áp trong một khoảng thời gian

nào đấy Mặc dù voltage dip không được chính thức định nghĩa, nhưng các nhà

phân phối điện năng ngày càng sử dụng nhiều thuật ngữ này, các nhà sản xuất thiết

bị và hộ tiêu dùng tương tự cũng chấp nhận và sử dụng Voltage dip được hiểu là

mức suy giảm điện áp trong khoảng 10% đến 90% giá trị hiệu dụng định mức trong khoảng thời gian từ nửa chu kì (50Hz-10ms) đến một phút

Hình 5 Voltage dip

1.2.2.2 Điện áp lồi

Điện áp lồi (Voltage swell) được định nghĩa là sự tăng của điện áp trong

khoảng 1,1 đến 1,8 lần giá trị hiệu dụng điện áp định mức tại tần số công nghiệp

(50Hz-60Hz) và tồn tại trong khoảng thời gian từ 0,5 chu kì (10ms-50Hz) cho đến một phút, minh họa trong hình 6

Hình 6 Hình biểu diễn voltage swell gây ra bởi lỗi chạm đất một

Trang 14

Trang 1-12

1.2.2.3 Ngắt

Ngắt (Interruption) xuất hiện khi điện áp nguồn cung cấp giảm xuống dưới

10% giá trị định mức trong khoảng thời gian không vượt quá một phút Nó là kết

quả của các sự cố trong hệ thống, các sự cố của thiết bị vận hành và các điều khiển không chuẩn

1.2.3 Các biến thiên điện áp trong thời gian dài

Là sự quá điện áp, dưới điện áp, hay trạng thái duy trì ngắt ở điều kiện làm việc ổn định Các ảnh hưởng này có khoảng thời gian xuất hiện trên một phút

1.2.3.1 Dưới điện áp

Dưới điện áp (thuật ngữ tiếng anh là Undervoltage) là sự suy giảm điện áp bên

dưới 90% điện áp hiệu dụng định mức và thời gian tồn tại của nó phải lớn hơn một

phút Undervoltage đôi khi được gọi là “Brownout” mặc dù thuật ngữ này không

được định nghĩa một cách rõ ràng Brownout thường được các nhà cung cấp điện

năng sử dụng khi họ cố tình giảm điện áp hệ thống xuống cho phù hợp với nhu cầu

sử dụng điện cao điểm hoặc một lý do đáng quan tâm nào đó, hình 7

Hình 7 Undervoltage

1.2.3.2 Quá điện áp

Quá điện áp (Overvoltage) là hiện tượng điện áp đặt vào thiết bị có giá trị vượt

quá 110% giá trị điện áp hiệu dụng định mức trong khoảng thời gian lớn hơn 1 phút, hình 8

Hình 8 Overvoltage

Trang 15

1.2.3.3 Ngắt duy trì

Khi điện áp của nguồn cung cấp bằng không trong khoảng thời gian lớn hơn

một phút thì được gọi là ngắt duy trì (Sustained interruptions) Nói chung các ngắt

điện áp kéo dài quá một phút thì thường là kéo dài vĩnh viễn do đó cần có sự tác

động của người sửa chữa và vận hành để phục hồi lại hệ thống Tuy nhiên Sustained

interruptions phải được hiểu là các hiện tượng của hệ thống điện năng và chúng

không hề có sự liên hệ nào với tình trạng mất điện của lưới, hình 9

Hình 9 Sustained interruptions

1.2.4 Méo dạng sóng

Méo dạng sóng (Waveform Distortion) được định nghĩa là sự sai lệch ổn định

so với dạng sóng tần số lý tưởng của điện năng, được xác định bằng cách phân tích

phổ tần số của sự sai lệch Waveform Distortion được xếp vào năm loại cơ bản, như

Sóng hài (Harmonics) là các dòng điện hay điện áp có tần số bằng số nguyên

lần tần số của nguồn cung cấp (thường được gọi là tần số sóng cơ bản, thông thường

là 50Hz, 60 Hz) Các dòng điện, điện áp bị méo có thể được phân tích thành tổng

của sóng có tần số cơ bản và các harmonics, hình 10

Trang 16

Trang 1-14

1.2.4.3 Nội điều hoà

Các dòng điện hay điện áp chứa các thành phần tần số không phải là số nguyên lần tần số cơ bản (50-60Hz) được gọi là các nội điều hòa (Interharmonic) Chúng dường như là các tần số rời rạc hay là các phổ tần số mở rộng

1.2.4.4 Notching

Là các nhiễu điện áp tuần hoàn xuất hiện trong các thiết bị điện tử công suất khi dòng điện đảo mạch từ pha này sang pha khác Khi notching xuất hiện trong mạch, nó có thể được nhận dạng thông qua phân tích phổ tần số của điện áp chịu tác động, hình 11

Hình 11 Hiện tượng notching

1.2.4.5 Nhiễu

Nhiễu (noise) được định nghĩa là các tín hiệu điện không mong muốn với phổ

tần rất rộng nhưng nhỏ hơn 200kHz, được xếp chồng lên điện áp hay dòng điện của

Hình 10 Hài dòng điện

Trang 17

hệ thống trong các đường dây pha, đường dây trung tính hay các đường dây tín hiệu, hình 12

Hình 12 Hiện tượng nhiễu

1.2.5 Dao động điện áp

Dao động điện áp (Voltage Fluctuation) là các biến đổi có hệ thống của điện

áp hay là một chuỗi thay đổi các điện áp ngẫu nhiên, nhưng biên độ của các thay đổi điện áp thay đổi này thường là không vượt quá vùng giới hạn đã được xác định theo tiêu chuẩn ANSI C 84.1 là 0,9÷1,1 giá trị tương đối (pu)

1.2.6 Các biến đổi tần số

Các biến đổi tần số (Power Frequency Variations) được định nghĩa là sự sai

lệch tần số cơ bản hệ thống điện khỏi giá trị định mức được xác định của nó (thường là 50Hz-60Hz) trong khoảng thời gian <10s, hình 13

Độ lệch tần số ∆f=(f-fđm)x100/fđm (theo Nga là ±0.2Hz, tối đa ±0.4Hz) Chỉ tiêu tần số do cơ quan điều khiển hệ thống điều chỉnh Chỉ có những hộ tiêu thụ lớn (hàng chục MW trở lên) mới phải quan tâm đến chế độ vận hành của mình sao cho

Hình 13 Dạng sóng của biến đổi tần số

Trang 18

1.3 Các chỉ tiêu về chất lượng điện năng của Việt Nam [6]

Chất lượng điện năng đã được những người làm công tác năng lượng Việt Nam quan tâm từ những năm 80 của thế kỷ trước Trải qua những năm chiến tranh kéo dài, những năm cuối của thế kỷ 20 – giai đoạn khôi phục và xây dựng, ngành điện mới chỉ cố gắng đáp ứng đủ nhu cầu cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ, chúng

ta chưa thể đòi hỏi ngành điện phải đáp ứng ngay cho các hộ tiêu thụ điện năng có chất lượng như các nước công nghiệp phát triển Tuy nhiên, trong quá trình xây dựng và phát triển chúng ta cũng đã thấy được mục tiêu phấn đấu của ngành điện nhằm hướng tới những mục tiêu này, đó là

1.3.1 Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 3971-84

Ngày 21 tháng 11 năm 1984 theo đề nghị của Bộ Điện Lực, Ủy ban Khoa học

và Kỹ thuật Nhà nước đã ban hành Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 3971-84 quy định

về “Mức chất lượng điện năng ở các thiết bị tiêu thụ điện năng nối vào lưới điện công dụng chung” Trong đó quy định:

Điều 2.1 Chỉ tiêu chất lượng điện năng cho các thiết bị tiêu thụ điện bao gồm:

a) Độ lệch tần số, độ lệch điện áp khi cung cấp điện từ lưới điện một pha; b) Độ lệch tần số, độ lệch điện áp, sự dịch chuyển trung tính ở tần số cơ bản khi cung cấp điện từ lưới ba pha

Điều 3.1 Độ lệch tần số cho phép so với tần số danh định trong chế độ làm việc

bình thường phải nằm trong phạm vi ± 0.5 hez;

Trang 19

Điều 3.2 Các thiết bị chiếu sáng, độ lệch điện áp cho phép nằm trong giới hạn – 10

% ÷ 5 % so với điện áp danh định Đối với các thiết bị tiêu thụ điện khác, độ lệch điện áp cho phép nằm trong giới hạn ± 8 % so với điện áp danh định

1.3.2 Nghị định số 45/2001/NĐ-CP của Chính phủ

Ngày 2 tháng 08 năm 2001 Chính phủ đã ban hành Nghị định số 45/ 2001/NĐ-CP về “Các hoạt động điện lực và sử dụng điện” Trong đó quy định:

Điều 17 Tổ chức, cá nhân sản xuất điện có nghĩa vụ:

1) Thực hiện các nội dung ghi trong giấy phép đầu tư hoặc quyết định đầu tư, giấy phép hoạt động điện lực và các giấy phép khác theo quy định của pháp luật

2) Thực hiện đầy đủ các thỏa thuận trong hợp đồng đã ký với bên mua điện, hợp đồng với đơn vị truyền tải, các bên có liên quan khác và các quy định của Trung tâm Điều độ hệ thống điện Quốc gia

3) Bảo đảm sản xuất điện ổn định, an toàn và chất lượng điện năng

4) Bảo đảm các tiêu chuẩn bảo vệ môi trường theo quy định của pháp luật 5) Chịu sự kiểm tra, giám sát của các cơ quan quản lý nhà nước theo quy định của pháp luật

6) Thực hiện các nghĩa vụ khác theo quy định của pháp luật

Điều 31 Bên bán phải đảm bảo chất lượng điện năng cung cấp cho bên mua theo quy định sau:

1) Về điện áp: Trong điều kiện bình thường, điện áp được phép dao động trong khoảng ± 5 % so với điện áp danh định và được xác định tại phía thứ cấp của máy biến áp cấp điện cho bên mua hoặc tại vị trí khác do hai bên thoả thuận trong hợp đồng khi bên mua đạt hệ số công suất (cosφ) ≥0.85 và thực hiện đúng biểu đồ phụ tải đã thoả thuận trong hợp đồng Trong trường hợp lưới điện chưa ổn định, điện áp được dao động từ + 5 % đến – 10 %

2) Về tần số: trong điều kiện bình thường, tần số hệ thống điện được dao động trong phạm vi ±0,2 Hz so với tần số định mức là 50 Hz Trường hợp hệ thống điện chưa ổn định, cho phép độ lệch tần số là ±0,5 Hz

Trang 20

Trang 1-18

3) Trong trường hợp bên mua cần chất lượng điện năng cao hơn tiêu chuẩn quy định tại các khoản 1 và 2 của Điều này thì các bên phải thoả thuận trong hợp đồng

Điều 32

1) Trong điều kiện lưới điện đảm bảo chất lượng điện năng theo quy định, bên mua điện để sản xuất, kinh doanh, dịch vụ có công suất sử dụng từ 80kW hoặc máy biến áp có dung lượng từ 100 kVA trở lên phải đảm bảo cosφ ≥ 0.85 tại điểm đặt công tơ mua bán điện

2) Trường hợp cosφ < 0.85, bên mua điện phải thực hiện các biện pháp:

a) Lắp đặt thiết bị bù công suất phản kháng, nâng cosφ đạt từ 0.85 trở lên; b) Mua thêm công suất phản kháng trên hệ thống điện của bên bán

3) Trường hợp bên mua điện có khả năng phát công suất phản kháng lên lưới, hai bên có thể thoả thuận việc mua, bán đó trong hợp đồng Bộ Công nghiệp, Ban Vật giá Chính phủ hướng dẫn việc mua, bán công suất phản kháng quy định tại khoản 2 và khoản 3 của Điều này

1.3.3 Quy phạm trang bị điện của Bộ Công nghiệp

“Quy phạm trang bị điện” được ban hành theo Quyết định số 19/2006/ BCN, ngày 11/07/2006 của Bộ trưởng Bộ Công nghiệp là một bước tiến mới trong việc đưa dần các chỉ tiêu chất lượng điện của Việt Nam phù hợp với Tiêu chuẩn của các nước công nghiệp phát triển Quy phạm này có bốn phần được biên soạn thành dạng Tiêu chuẩn của ngành điện, trong đó:

QĐ-Phần I Quy định chung – ký hiệu 11 TCN - 19 - 2006;

Phần II Hệ thống đường dây điện – ký hiệu 11 TCN – 20 - 2006;

Phần III Thiết bị phân phối và trạm biến áp – ký hiệu 11 TCN - 21 - 2006; Phần IV Bảo vệ tự động – ký hiệu 11 TCN - 22 - 2006

Về chất lượng điện áp và điều chỉnh điện áp TCN - 19 -2006 có quy định:

Điều 1.2.39 Mức điện áp tại các điểm trong lưới điện phải xác định theo phương

thức vận hành và theo chế độ phụ tải cực đại và cực tiểu Trong điều kiện bình thường, độ lệch điện áp được phép dao động trong khoảng ±5% so với điện áp

Trang 21

danh định và được xác định tại vị trí đặt thiết bị đo đếm điện hoặc tại vị trí khác do hai bên thỏa thuận

Trong trường hợp lưới điện chưa ổn định, điện áp được phép dao động trong phạm vi từ -10% đến +5%

Điều 1.2.40 Ở chế độ làm việc bình thường của hệ thống điện, máy biến áp đến

35kV phải có điều chỉnh điện áp trong phạm vi ±5% điện áp danh định

Điều 1.2.41 Ở chế độ làm việc bình thường của trạm cấp điện, trong thời gian tổng

phụ tải giảm đến 30% so với trị số phụ tải lớn nhất, điện áp tại thanh cái phải duy trì ở mức điện áp danh định của lưới

Điều 1.2.42 Để điều chỉnh điện áp, ở lưới điện 110 kV trở lên nên dùng máy biến

áp có bộ điều chỉnh điện áp dưới tải với dải điều chỉnh ±(10% ÷ 15%)

Ngoài ra cần xét đến việc dùng thiết bị điều chỉnh điện áp tại chỗ như:

Điều 1.2.43 Việc chọn điện áp và hệ thống cấp điện cho các lưới điện động lực và

chiếu sáng trong các phân xưởng dùng điện áp 660V trở xuống phải được giải quyết một cách toàn diện Nếu dùng máy biến áp để cung cấp điện động lực và chiếu sáng cho hộ tiêu thụ thì sơ đồ lưới phải cho phép cắt bớt máy biến áp trong những giờ không làm việc hoặc ngày nghỉ và chuyển việc cấp điện chiếu sáng thường trực sang máy biến áp riêng công suất nhỏ hoặc qua đường dây nối sang một trong những máy biến áp còn làm việc

Điều 1.2.44 Trong điều kiện làm việc bình thường, tần số hệ thống điện được phép

dao động trong phạm vi ±0,2Hz so với tần số danh định là 50Hz Trong trường hợp hệ thống điện chưa ổn định, cho phép độ lệch tần số là ± 0,5Hz

Phía hộ tiêu thụ điện có công suất sử dụng từ 80 kW trở lên hoặc máy biến áp

có dung lượng từ 100 kVA trở lên phải đảm bảo có hệ số công suất cosφ ≥ 0.85 tại điểm đặt công tơ mua bán điện Trong trường hợp cosφ < 0.85 thì phải

Trang 22

1.4 Các thiết bị giám sát chất lượng điện năng trên thế giới

Chương trình giám sát chất lượng điện năng thường được thúc đẩy bởi nhu cầu nâng cao chất lượng điện năng Nhiều khách hàng công nghiệp và thương mại

có các thiết bị nhạy cảm với rối loạn điện, và, do đó, họ rất quan tâm đến vấn đề hiểu rõ chất lượng điện được cung cấp Ví dụ các thiết bị nhạy cảm với rối loạn điện bao gồm mạng máy tính, thiết bị viễn thông, các cơ sở sản xuất linh kiện điện tử, công nghệ sinh học và phòng thí nghiệm dược phẩm,… Do đó, trong thập kỷ qua rất nhiều công ty trên thế giới đã triển khai chương trình giám sát chất lượng điện năng rộng lớn

Việc giám sát chất lượng điện năng là một phần của một dịch vụ nâng cao chất lượng điện năng Nhiều nhà sản xuất năng lượng điện trên thế giới hiện đang xem xét các dịch vụ bổ sung để cung cấp cho khách hàng Một trong những dịch vụ này

là sẽ cung cấp mức độ khác biệt về chất lượng điện để phù hợp với nhu cầu của khách hàng cụ thể Một nhà cung cấp và khách hàng có thể đạt được mục tiêu này bằng cách sửa đổi hệ thống điện hoặc bằng cách cài đặt trang thiết bị bên trong cơ

sở của khách hàng Trong cả hai trường hợp, giám sát chất lượng điện năng trở nên thiết yếu để thiết lập các chuẩn mực và xác minh rằng hợp đồng cung cấp điện đạt được về chất lượng

Hình vẽ 14 minh họa tiến trình phát triển của thiết bị phân tích chất lượng điện năng trên thế giới

1.4.1 Các thiết bị phân tích chất lượng điện năng

Thiết bị phân tích hài (harmonic analyzer) hay đồng hồ đo hài (harmonic

meter), là dụng cụ được sử dụng để đo (và ghi dữ liệu) méo sóng hài (harmonic distortion, HD), một thiết bị tiêu biểu của thiết bị phân tích chất lượng điện năng

Nói chung các thiết bị phân tích hài bao gồm một màn hình hiển thị dạng sóng, đầu

Trang 23

vào (các) điện áp, và đầu vào (các) dòng điện, có thể có thêm tính năng truyền thông như một RTU trong mạng Các thiết bị phân tích hài thường sử dụng phân tích Fourier rời rạc để kết xuất các thành phần hài Về kiểu dáng thì, một số các thiết bị là loại thiết bị cầm tay, một loại để bàn và một loại nữa là gắn trên các panel giám sát điều khiển

Đối với loại gắn trên các panel giám sát thì chúng có khả năng nối mạng, hoạt động đo lường phân tích sóng hài liên tục, chúng thường được gọi là các Smart power quality monitor Một số loại dụng cụ cung cấp việc kết xuất nhanh méo dạng sóng và hài ngay trong quá trình thực hiện phép đo, trong khi một số dụng cụ lại có khả năng ghi lại các kết xuất cũng như ghi lại HD theo thời gian, loại dụng cụ này có giá thành, tất nhiên, cao hơn và thường có phần mềm máy tính phân tích số liệu đi kèm Nói chung, tùy thuộc vào vấn đề chất lượng điện năng mà người sử dụng sẽ lựa chọn loại dụng cụ nào cho phù hợp mục đích Một vấn đề khác đó là liên quan đến tần số hài cao nhất cần quan tâm là gì khi sử dụng và lựa chọn dụng

cụ phân tích hài, tất nhiên, điều này phụ thuộc vào thời điểm cũng như kế hoạch vận hành tải của các hộ tiêu thụ Theo kinh nghiệm của các chuyên gia chất lượng điện

năng thì sóng hài bậc 15 là “đủ” để phân tích các vấn đề chất lượng điện năng

Đối với các thiết bị phân tích hài có khả năng phân tích đến hài bậc 15 thì yêu cầu tần số lấy mẫu ít nhất phải là 1500 mẫu trên một giây (tần số cơ bản là 50Hz,

1500 = 15 x 50 x 2), theo luật Nyquist, hay nói cách khác là trong một chu kỳ lưới điện (20ms) thì dụng cụ phân tích sóng hài phải lấy tối thiểu 25 mẫu Tất nhiên, nếu lấy mẫu với tần số cao thì việc phản ảnh chính xác dạng sóng càng cao Ngoài ra, với các dụng cụ phân tích sóng hài đó thì các dây cáp tín hiệu điện áp có độ dài lớn nhất mà không gây ảnh hưởng biến dạng (ảnh hưởng bởi điện dung của đôi dây) đến tín hiệu có tần số cao nhất (hài bậc 15) là khoảng 6 mét

Đối với các thiết bị phân tích HD dòng điện thì yêu cầu phải cân nhắc một số điểm đặc biệt Hầu hết thiết bị phân tích HD dòng điện sử dụng các đầu dò dòng điện (current probes) sử dụng một biến áp lõi sắt được thiết kế để quấn dây dẫn xung quanh, xem hình 15

Trang 24

Trang 1-22

Hình 14 Tiến trình phát triển thiết bị phân tích chất lượng điện năng trên thế giới

Lõi sắt của đầu dò dòng điện dễ bị lỗi tại các tần số cao và bão hòa tại các dòng điện cao hơn giá trị danh định Do đó, việc kiểm tra các đầu dò dòng điện cho các xét nghiệm HD thì cần đảm bảo rằng các đầu dò phù hợp cho việc sử dụng ở tần

số cao mà không có một mất mát đáng kể về độ chính xác, mức độ cho phép sai số đến 5% đối với hài bậc cao

Hình 15 Đầu dò dòng điện

Hình 16 minh họa một dụng cụ đo lường HD cầm tay một phase, thiết bị có thể được sử dụng trong các mạch lên đến 600 VAC

Trang 25

Hình 16 Thiết bị phân tích HD cầm tay một phase FLUKE 39/41

Hình 17 minh họa một thiết bị phân tích HD loại để bàn đang thực hiện các kết xuất HD và dữ liệu lịch sử HD trong một thời gian quy định Các kết xuất HD cùng với các dữ liệu lịch sử này rất hữu ích trong việc xác định tính chất của sóng hài

Hình 17 Thiết bị phân tích HD để bàn

Hình 18a minh họa một thiết bị phân tích HD loại gắn trên panel giám sát Đối với những loại thiết bị này thì chúng thường tích hợp tính năng kết nối mạng, để tạo thành một hệ thống tự động giám sát chất lượng điện năng, hình 18b

Trang 26

Trang 1-24

1.4.2 Data Logger và Chart Recorder

Data logger và chart recorder, hình 19, đôi khi được sử dụng để ghi lại điện

áp, dòng điện, và dữ liệu nhiệt độ trong hệ thống năng lượng điện Data Logger và chart recorder là các thiết bị đáp ứng chậm, chúng thích hợp đối với các dữ liệu đo trạng thái ổn định, trong một thời gian dài Những thiết bị đó ghi một mẫu của sự kiện tại thời gian định trước, chẳng hạn như 1 s, 2 s, 5 s, vv

Hình 18a Thiết bị phân tích HD gắn

Trong một số ứng dụng, thông tin này là tất cả những gì cần thiết Tuy nhiên, trong đánh giá chất lượng điện liên quan đến điều kiện thoáng qua (transient), những thiết bị này không phù hợp Lợi thế của data logger là giá của nó tương đối rẻ

Trang 27

so với dụng cụ ghi chất lượng điện năng Ngoài ra, chúng cũng dễ dàng hơn trong việc cài đặt cũng như dễ sử dụng hơn Các dữ liệu từ thiết bị này có thể được trình bày trong một định dạng văn bản hoặc trong một định dạng đồ họa

1.4.3 Các đồng hồ đo giá trị RMS

Thuật ngữ RMS thường được sử dụng trong các ứng dụng chất lượng điện năng Giá trị RMS của dòng điện hoặc điện áp có thể khác nhau đáng kể so với các giá trị RMS thành phần cơ bản của điện áp hoặc dòng điện Nếu sử dụng một đồng

hồ đo lường giá trị trung bình hoặc giá trị đỉnh (peak) thì có thể sinh ra các kết quả

có sai sót nếu chúng ta cần giá trị RMS của các dạng sóng (dòng điện, điện áp) Đối với các dạng sóng nhiều sóng hài, mức trung bình và giá trị đỉnh sẽ có giá trị khác đáng kể so với các dạng sóng hoàn toàn sinusoidal hoặc gần sinusoidal Việc đo giá trị trung bình hoặc giá trị đỉnh của một tín hiệu và biến đổi các giá trị đó để lấy được một giá trị RMS sẽ dẫn đến sai lệch

Hình 19 AEMC TRMS Voltage, Current Simple Logger

1.5 Cấu hình chung của một thiết bị phân tích chất lượng điện năng

Xu hướng của các hãng sản xuất (FLUKE, AMPROBE, MicroDAQ ) máy phân tích chất lượng điện năng là ứng dụng các công nghệ mới nhất trong các lĩnh vực điện tử, công nghệ thông tin để tạo ra các máy phân tích chất lượng điện năng

có số kênh nhiều hơn, phân tích được nhiều thông số điện, thân thiện người sử dụng cũng như cung cấp nhiều công cụ để giúp người sử dụng đánh giá kết quả để từ đó

Trang 28

Cấu hình chung của một máy phân tích chất lượng điện năng như hình 20, bao gồm các phần chính như sau:

q Khối tiền xử lý đầu vào;

q khối biến đổi A/D;

q khối hiển thị;

q khối xử lý trung tâm

Nguyên lý hoạt động chung của thiết bị phân tích chất lượng điện năng: Điện

áp đầu vào hoặc dòng điện đầu vào của thiết bị phân tích chất lượng điện năng được lấy qua các bộ biến đổi điện áp và biến đổi dòng điện sau đó đưa tới bộ điều chỉnh tín hiệu và biến đổi tương tự/số Những board A/D thực hiện chuyển đổi tín hiệu analog nhận được từ các transducer thành tín hiệu số để xử lý Độ phân dải của A/D được sử dụng trong các thiết bị phân tích chất lượng điện năng thường là từ 10 đến

24 bit (Fluke 39/41B, hình 19, sử dụng ADC loại LTC1092 với độ phân dải 10 bit)

Bộ DSP sẽ thực hiện phân tích và xử lý số liệu (các thiết bị thường sử dụng DFT để phân tích tín hiệu) Số liệu sau khi phân tích sẽ được ghi lại vào bộ nhớ và hiển thị trên màn hình LCD Trong một số các thiết bị phân tích chất lượng điện năng hiện đại còn được tích hợp thêm bộ phận truyền thông để có thể sẵn sàng ghép nối vào một hệ thống tự động phân tích chất lượng điện năng

Trang 29

Hình 20 Cấu hình phần cứng của một thiết bị phân tích PQ, Fluke 39/41B

1.6 Các vị trí cần kiểm tra về chất lượng điện năng

Nếu có thể, các kiểm tra chất lượng điện năng nên được tiến hành tại nhiều địa điểm (vị trí) cùng một lúc Các dữ liệu thu được bằng cách đó rất có lợi trong việc xác định bản chất của vấn đề chất lượng điện năng Tuy nhiên, việc đồng thời giám sát sẽ làm tăng chi phí và các yếu tố khác, có thể là một việc làm không khả thi Số lượng các vị trí kiểm tra phụ thuộc vào bản chất của vấn đề và tính chất của các thiết bị chịu ảnh hưởng Ví dụ, trong hình 21, nếu vấn đề chất lượng điện năng được quan sát tại vị trí C và mà không phải là B, thì đương nhiên không cần thiết phải giám sát tại vị trí A Mặt khác, nếu vấn đề được nhận thấy tại C và B, thì vị trí A nên được kiểm tra cũng như vị trí D Qua đó, kinh nghiệm của các kỹ sư chất lượng điện năng trở nên rất quan trọng khi cố gắng giải quyết các tình huống khác nhau về chất lượng điện năng Đối với một cơ sở lớn với nhiều nguồn transient và trang thiết

bị nhạy cảm, đó có thể là một thách thức to lớn cho các kỹ sư chất lượng điện năng

Trang 30

Hình 21 Vị trí kiểm tra chất lượng điện năng

1.7 Mục tiêu của đề tài

Nghiên cứu thiết kế chế tạo trong nước bộ phân tích chất lượng điện năng trong hệ thống điện có tính năng, chất lượng và giá cả phù hợp, giảm nhập ngoại

1.8 Nội dung nghiên cứu

q Nghiên cứu, Khảo sát về các thiết bị phân tích chất lượng điện năng hiện nay

q Nghiên cứu thiết kế sơ đồ nguyên lý làm việc của thiết bị

q Nghiên cứu thiết kế chế tạo module phần cứng

q Nghiên cứu và xây dựng thuật toán phân tích chất lượng điện năng

q Xây dựng phần mềm cho thiết bị

q Thử nghiệm sản phẩm trong phòng thí nghiệm và trong thực tế, đánh giá, hoàn thiện sản phẩm

Trang 31

1.9 Mô tả phương pháp nghiên cứu

q Nghiên cứu, tham khảo và kế thừa các thành tựu của các hãng, các nhà sản xuất lớn trên thế giới để nhanh chóng hiểu được nguyên lý hoạt động và phương pháp chế tạo thiết bị phân tích chất lượng điện năng

q Đầu tư tập trung vào các linh kiện có chất lượng tốt và công nghệ hiện đại như các bộ biến đổi ADC, DSP, …

q Kiểm tra, mô phỏng các thiết kế trên các phần mềm mô phỏng để đưa ra được thiết kế tối ưu trước khi thực hiện bằng phần cứng

q Sau khi đã có sản phẩm cụ thể sẽ đưa đi ứng dụng thực tế để kiểm tra đánh giá tính năng của sản phẩm và hoàn thiện thiết kế

Trang 32

Trang 2-30

PHẦN 2 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 2.1 Thiết kế tổng thể thiết bị phân tích chất lượng điện năng

2.1.1 Cơ sở và quan điểm thiết kế phần cứng

Giám sát hay phân tích chất lượng điện năng (Power Quality Analyzer - PQA)

là quá trình thu thập, phân tích, đo lường và xử lý dữ liệu thô thành thông tin có ích Quá trình thu thập dữ liệu thường được thực hiện bằng cách đo lường liên tục điện

áp và dòng điện trong một thời gian dài Quá trình phân tích và xử lý dữ liệu theo truyền thống thì được thực hiện bằng tay, nhưng do tiến bộ gần đây trong xử lý tín hiệu và các lĩnh vực trí tuệ nhân tạo đã có thể thiết kế và thực hiện các hệ thống thông minh để tự động phân tích và xử lý dữ liệu thô thành thông tin hữu ích

Xu hướng của các hãng sản xuất máy phân tích chất lượng điện năng là ứng dụng các công nghệ mới nhất trong các lĩnh vực điện tử, công nghệ thông tin để tạo

ra các thiết bị có số kênh nhiều hơn, phân tích được nhiều thông số điện, thân thiện người sử dụng cũng như cung cấp nhiều công cụ để giúp người sử dụng đánh giá kết quả Trên cơ sở nghiên cứu các thiết bị phân tích chất lượng điện năng trên thế giới, chúng tôi thiết kế sản phẩm của đề tài với các quan điểm như sau:

• Phần cứng của thiết bị được xây dựng trên cơ sở các module với các linh kiện có phẩm chất tốt

• Phần mềm bao gồm nhiều tính năng phân tích các thông số khác nhau, áp dụng thuật toán phân tích Fuorier rời rạc (Discrete Fourier Transform -DFT)

2.1.2 Cấu hình phần cứng của thiết bị

Như vậy, để có được một kết cấu sản phẩm linh hoạt, chúng tôi thiết kế thiết

bị phân tích chất lượng điện năng trên cơ sở một tập hợp các module phẩn cứng Các module được lắp ghép phối hợp với nhau tạo thành hai khối chức năng chính, khối tính toán và khối HMI (vì khối lượng xử lý số liệu lớn, dó đó việc tính toán dành riêng một CPU) Khối chức năng tính toán thực hiện việc đọc tín hiệu dòng điện, điện áp và phân tích thành các thông số có ích trên cơ sở thuật toán DFT Khối

Trang 33

chức năng HMI thực hiện việc hiển thị đồ họa, các thông số điện và truyền thông nối tiếp với máy tính Hai khối chức năng liên kết với nhau thông qua bus giao tiếp nội bộ (hình 22)

Hình 22 Sơ đồ khối thiết bị phân tích chất lượng điện năng của đề tài

Trong hình 22, Module xử lý tính toán bao gồm các các phần như sau:

Ø Bộ cách ly và chia tỷ lệ tín hiệu analog: Làm nhiệm vụ cách ly điện áp

cao với các mạch điện tử của thiết bị phân tích chất lượng điện năng, định

tỉ lệ mức điện áp phù hợp cho các khối xử lý phía sau như bộ lọc thông thấp, bộ biến đổi ADC

Trang 34

Trang 2-32

Ø Bộ lọc tương tự anti-aliasing: Các bộ lọc thông thấp được sử dụng để

tránh hiện tượng sai số lấy mẫu (hiện tượng trùng phổ)

Ø Bộ biến đổi tương tự sang số: Bởi vì các bộ xử lý kỹ thuật số chỉ có thể

xử lý dữ liệu dạng số hoặc lôgic, các dạng sóng của các đầu vào phải được lấy mẫu tại các thời điểm gián đoạn Để đạt được điều này, mỗi tín hiệu analog phải đi qua một module lấy và giữ mẫu (được tích hợp sẵn trong ADC), và chuyển cho bộ biến đổi tương tự số (ADC) bằng một bộ hợp kênh (tích hợp trong ADC)

Ø Bộ xử lý trung tâm CPU: xây dựng trên cơ sở chip có cấu hình mạnh để

thực hiện các thuật toán và nhiệm vụ: 1) Thuật toán xấp xỉ pha: để xấp xỉ biên độ và pha của các sóng dòng điện, điện áp; 2) Thực hiện tính toán các thông số theo tiêu chuẩn IEEE 61000-3-40; 3) Thuật toán xấp xỉ tần số; và 4) Nhiệm vụ truyền thông với module HMI

Module HMI bao gồm các các phần như sau:

• Thực hiện các chức năng truyền thông

• Hiển thị các thông số: dòng điện, điện áp, các hài dòng điện, hài điện áp, tổng méo điện áp THDU, tổng méo dòng điện THDI, TDD, tần số f, công suât P, Q, S, và hệ số ông suất cosφ,…

• Cài đặt thông số

• Thông báo các trạng thái cảnh báo, trạng thái làm việc

2.1.3 Đặc điểm của thiết bị phân tích chất lượng điện năng của đề tài

2.1.3.1 Các thông số kỹ thuật của thiết bị phân tích chất lượng điện năng

a) Đầu vào dòng điện

• Số lượng: 3 đầu vào dòng điện

• Dòng điện danh định đầu vào: 1A (dải điện áp 0-1400A, qua biến dòng điện), dòng điện vào trực tiếp từ 0-5A

• Điện áp cách ly 2.1kV

b) Đầu vào điện áp

• Số lượng: 4 đầu vào điện áp

Trang 35

• Điện áp danh định đầu vào: điện áp danh định 100V (thông qua biến điện áp VT), điện áp vào trực tiếp từ 0-500VAC

• Điện áp cách ly 2.5kV

c) Nguồn nuôi

• Mức điện áp 5VDC: nuôi cho CPU, ADC, mạch số truyền thông nội bộ,…

• Mức điện áp ±12VDC: nuôi cho các bộ chuyển đổi dòng điện

• Mức điện áp ±5VDC: nuôi cho khuếch đại thuật toán

2.1.3.2 Các thông số đo của thiết bị phân tích chất lượng điện năng

• Dải điện áp đo: Điện áp danh định 100V thông qua biến điện áp VT, điện áp

có thể vào trực tiếp từ 0-500VAC

• Dải dòng điện đo từ 0(A) đến 1400 (A) (ac+dc), thông qua biến dòng điện

CT, dòng điện danh định là 1A Dòng điện vào trực tiếp (không cần CT) là từ 0-5A

• Hài điện áp: từ hài cơ bản đến hài thứ 20

• Hài dòng điện: từ hài cơ bản đến hài thứ 20

Trang 36

Trang 2-34

2.2 Lựa chọn vật tư linh kiện để thiết kế các module

Môi trường công nghiệp là một môi trường điện từ có ảnh hưởng không tốt đối với thiết bị phân tích chất lượng điện năng Với những chuyển mạch của các khí cụ điện thì một điều quan trọng rằng phải làm sao cho các nhiễu ngoài không đưa vào phân tích chất lượng điện năng và cản trở việc hoạt động bình thường của nó Hiện

có hai nguyên nhân chủ yếu của EMI trong trạm điện: thứ nhất là một kết quả của việc hoạt động chuyển mạch và các sóng điện lớn trên đường dây, chúng có thể tác động đến tín hiệu đầu vào của phân tích chất lượng điện năng, và thứ hai, đó là do nguyên nhân bên ngoài như sét đánh vào hệ thống trang thiết bị điện và tạp nhiễu ra-đi-ô Cần nhấn mạnh rằng, vì các vi xử lý hoạt động với tốc độ cao, các phân tích chất lượng điện năng dễ bị lỗi với nhiễu điện từ (Electromagnetic Interference - EMI) Vì vậy, một điều kiện cần đảm bảo chắc chắn rằng các phân tích chất lượng điện năng phải có tính tương thích điện từ (Electro Magnetic Compability - EMC) với môi trường của nó Để bảo đảm cho phân tích chất lượng điện năng đáp ứng yêu cầu EMC, một loạt những phương pháp được thực hiện Ngoài việc tất cả các mạch điện tử của phân tích chất lượng điện năng cần được bảo vệ trong vỏ kim loại, việc nối đất, sử dụng các bộ lọc, chống điện áp cao,… thì các đầu vào/ra (bao gồm các đầu vào dòng điện, điện áp) giao tiếp với thế giới bên ngoài của thiết bị phân tích chất lượng điện năng cần được xây dựng trên cơ sở các linh kiện có phẩm chất tốt

1 Căn cứ theo các thông số của thiết bị phân tích chất lượng điện năng mà

đề tài đăng ký, bao gồm các thông số như sau:

• Các đầu vào dòng điện: Dòng định mức là 1A

• Các đầu vào điện áp: Điện áp vào danh định 100VAC

• Phân tích các thành phần hài, tính toán công suất, góc pha, tần số

Trang 37

• Cổng truyền thông: RS485/RS232 tốc độ 1200 baud đến 56000 baud

• Đồng hồ thời gian thực

• Bộ nhớ không mất dữ liệu để lưu thông số cài đặt, và các lỗi

• Nguồn cung cấp: 110/250VAC@50Hz

2 Căn cứ vào tiêu chuẩn IEC60255 qui định về vấn đề cách ly điện

3 Lựa chọn linh kiện dán bề mặt của các hãng sản xuất linh kiện, các bộ biến đổi dòng, áp nổi tiếng thế giới như Microchip, LEM, Analog Device, Texas Instruments, hay Linear Technology,…

2.2.1 Lựa chọn bộ chia tỷ lệ và cách ly điện áp

Theo nguyên lý cách ly và chia tỷ lệ điện áp, kết hợp với tiêu chuẩn IEC60255-5 qui định về cách ly đối với các đầu vào của thiết bị phân tích chất lượng điện năng cũng như yêu cầu điện áp đầu vào như đã đăng ký, chúng tôi lựa chọn sử dụng bộ chuyển đổi điện áp LV 20-P của LEM với thời gian đáp ứng là

40 s µ Đây là bộ chuyển đổi sử dụng hiệu ứng Hall cho việc đo điện áp DC, AC với cách ly điện hóa giữa mạch sơ cấp (điện áp cao) và mạch thứ cấp (mạch điện tử của thiết bị phân tích chất lượng điện năng) Giá trị điện áp R.m.s cho cách ly AC là 2.5kV, thử trong 1mn giữa sơ cấp và thứ cấp

Các thông số điện:

• Dải điện áp đo: 10 đến 500VAC

• IPN, dòng điện r.m.s danh định sơ cấp 10mA

• IP, dòng điện sơ cấp, dải đo 0 14mA±

• RM, điện trở đo Với điện áp cung cấp là ±12VCD thì RMmin là 30 Ω RMmax

Trang 38

2.2.2 Lựa chọn bộ chia tỷ lệ và cách ly dòng điện

Đối với các đầu vào là dòng điện, thì ngoài việc thực hiện cách ly, chia tỷ lệ, chúng ta còn phải thiết kế thêm một bộ chuyển đổi tín hiệu dòng điện sang điện áp trước khi đưa vào mạch lọc thông thấp và bộ chuyển đổi ADC Dựa theo đăng ký đề tài dòng điện danh định đầu vào của thiết bị phân tích chất lượng điện năng là 1A tần số 50Hz, chúng tôi sử dụng cảm biến dòng, ACS714LLCTR-20A-T, thời gian đáp ứng là 5 s µ Lựa chọn này hoàn toàn phù hợp với tiêu chuẩn cách ly IEC60255-

5 Các thông số kỹ thuật của ACS714LLCTR-20A-T như sau

• Nguồn cung cấp, Vcc, 4.5 đến 5.5 VDC

• Dòng tiêu thụ, Icc, 10 đến 13mA

• Tải điện trở đầu ra, RLOAD, nhỏ nhất là 4.5k

• Điện áp đầu ra với dòng điện đầu vào IP=0 là Vcc x 0.5

• Nhiệt độ hoạt động, TA, từ −40 80 C0

• Dải dòng điện đầu vào, IP, -20 đến 20 A

• Độ nhạy tại TA=25 0C, nhỏ nhất là 96mV/A, danh định 100mV/A, lớn nhất 104mV/A

• Tính chính xác và độ tin cậy cao: sai số tổng là 1,5% ở nhiệt độ phòng (25 0C)

• IC có thể vẫn sống với sự quá dòng tới 5 lần

2.2.3 Lựa chọn linh kiện để thiết kế bộ lọc Anti-aliasing filter

2.2.3.1 Lựa chọn linh kiện của bộ lọc thông thấp cho các đầu vào dòng điện

Trong thiết bị phân tích chất lượng điện năng của đề tài, chúng ta cần thiết phải có các thông tin về các mức hài dòng điện bậc cao Theo tiêu chuẩn IEEE 61000-3-40 qui định, đối với các thiết bị phân tích chất lượng điện năng thuộc class

A (các thiết bị dùng trong các trường hợp đặc biệt ví dụ để làm các thiết bị chuẩn) phải có khả năng phân tích tới hài bậc 40, tuy nhiên trong đề tài chúng tôi chỉ phân

Trang 39

tích đến hài bậc 20 với lý do như sau: thứ nhất, nó vẫn thỏa mãn IEEE 61000-3-40 qui định đối với các thiết bị phân tích chất lượng điện năng calss B và thứ hai, theo các chuyên gia chất lượng điện năng trên thế giới thì với mức hài bậc 20 là chấp nhận được để phân tích các hiện tượng trong hệ thống điện (thiết bị phân tích chất lượng điện năng của hãng Fluke, Fluke 39, phân tích đến hài bậc 13) Với tần số danh định của thành phần cơ bản là 50Hz thì hài bậc 20 có tần số là 1kHz, do đó một tần số cắt (thấp nhất) của bộ lọc tương tự phải là 1kHz Trong đề tài, chúng tôi lựa chọn OP-AMP AD706 của Analog Devices, đây là một IC được ứng dụng nhiều trong các mạch lọc thông thấp tích cực nó rất tiện lợi để thiết kế các mạch lọc bậc 4

2.2.3.2 Lựa chọn linh kiện của bộ lọc thông thấp cho các đầu vào điện áp

Như đã phân tích, đề tài sẽ chế tạo ra thiết bị phân tích chất lượng điện năng có khả năng phân tích thành phần cơ bản của điện áp và các hài bậc cao của nó Căn cứ theo IEEE 61000-3-40 qui định cho các thiết bị thuộc Class B, chúng tôi thiết kế thiết bị phân tích chất lượng điện năng có khả năng phân tích đến hài bậc 20 Từ đó, khối lọc thông thấp sẽ được thiết kế với tần số cắt 1kHz Trong đề tài, chúng tôi lựa chọn bộ OP-AMP AD706 của Analog Devices để thiết kế mạch lọc thông thấp tích cực

2.2.4 Lựa chọn linh kiện cho bộ chuyển đổi tương tự/số ADC

Theo tham khảo của nhóm thực hiện đề tài thì thông thường các thiết bị phân tích chất lượng điện năng của các hãng chế tạo trên thế giới sử dụng các ADC có độ phân giải là 10 bit (ví dụ Fluke 39, 41), 12 bit, hoặc 16 bit và có thể lên tới 20 bit (loại giá thành cao) Ngoài ra, chúng tôi căn cứ vào dải đo đầu vào của các dòng điện từ 0 đến 1400A (thông qua biến dòng điện CT), các đầu vào điện áp có dải đo

từ 0V đến 500V (nếu thông qua biến điện áp VT thì điện áp danh định là 100V) cùng với việc thiết bị phân tích chất lượng điện năng phải phân tích các hài bậc cao của dòng điện và điện áp, như vậy, một ADC có độ phân giải 16 bit và có tốc độ lấy mẫu khoảng 10ksps là một lựa chọn tốt Căn cứ vào các yêu cầu như vậy, trong đề tài chúng tôi sử dụng bộ biến đổi ADC LTC1865 2 kênh 16 bit xấp xỉ liên tục (bộ

Trang 40

Trang 2-38

lấy và giữ mẫu bên trong, tốc độ lấy mẫu 250ksps, thời gian biến đổi 3.2 s µ ADC này tiêu thụ dòng 850 A µ trong quá trình biến đổi và tự động hạ xuống 2 A µ khi không thực hiện biến đối Dạng đóng vỏ 8 chân, hoạt động với nguồn cung cấp 5V Việc giao tiếp với vi điều khiển thông qua vào/ra SPI

2.2.5 Lựa chọn linh kiện cho truyền thông

Trong IEC60255 không có qui định đặc biệt đối với phần truyền thông của PQA về cách ly điện, tuy nhiên để đảm bảo an toàn cho thiết bị, cho thiết bị phân tích chất lượng điện năng, chúng tôi vẫn thiết kế mô-đun truyền thông của thiết bị phân tích chất lượng điện năng có khả năng cách ly hoàn toàn về điện giữa phía bên thu, phát và đường truyền bởi IC ISO3086DW, điện áp cách ly 2500 Vrms thử trong 60s giữa phía đường truyền và giao diện mạch logic, chế độ truyền thông song công hoặc bán song công tùy chọn bằng cách cài đặt các jump trên mạch Nguồn cách ly được thực hiện bởi bộ biến đổi DC/DC: VBT1-S5-S5-SMT

Các thông số kỹ thuật của ISO3086DW

• Điện áp cung cấp Vcc1: 3.15 đến 5.5VCD

• Điện áp cung cấp Vcc1: 4.5 đến 5.5VCD

• Điện áp Voc (AB, ZY): -7 đến 12 VDC

• Dòng điện đầu ra chế độ truyền: cực đại 60mA

• Tốc độ truyền thông 20Mbps

• Khoảng cách truyền 1500m không có bộ lặp

2.2.6 Lựa chọn bộ xử lý trung tâm

Trong thiết bị phân tích chất lượng điện năng thì có thể nói rằng các thuật toán tính toán tần số, xấp xỉ phasor, tính toán hài dòng điện, tính toán hài điện áp, tính toán các công suất P, Q trên cơ sở phân tích DFT (theo IEEE 61000) là những kỹ thuật thực sự phức tạp Như vậy, thiết bị phân tích chất lượng điện năng cần có một

bộ xử lý trung tâm với cấu hình đủ mạnh và cần có những cấu trúc phần cứng phù hợp cho giải thuật DFT Theo các phân tích như vậy, trong đề tài, chúng tôi lựa

Tiêu đề	Nghiên Cứu Thiết Kế Chế Tạo Máy Phân Tích Chất Lượng Điện Năng Trong Hệ Thống Điện
Tác giả	Nguyễn Thế Vinh
Người hướng dẫn	Nguyễn Thế Truyện
Trường học	Viện Nghiên Cứu Điện Tử, Tin Học, Tự Động Hóa
Chuyên ngành	Kỹ thuật điện, Công nghệ điện tử
Thể loại	đề tài nghiên cứu
Năm xuất bản	2010
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	111
Dung lượng	2,26 MB